新型衛星導航裝備維修訓練手段研究

何文彥HE Wen-yan；徐婷XU Ting；張勇ZHANG Yong

（①西安航光衛星測控技術有限公司，西安 710100；②中國人民解放軍32181 部隊，西安 710035）

0 引言

在現代聯合特種任務中，衛星導航裝備的定位、導航、授時等功能發揮著越來越無可替代的作用，其保障能力的優劣很大程度上決定了衛星導航裝備的完好性和特種效能[1]，而保障能力的提升主要依靠維修訓練培訓[2]，因此，有效的維修訓練手段對衛星導航裝備特殊行動尤為重要。傳統維修訓練依托實裝進行，存在實裝依賴性強、訓練組織難、訓練耗損大成本高等實際問題[3]，很難適應裝備維修保障能力發展需求。新興維修訓練基于虛擬維修進行[4]，雖然解決了傳統維修訓練手段受制于實裝數量、訓練場地、訓練效益等約束，仍存在無法進行實地、實景沉浸式維修訓練的問題[5]，對裝備維修保障能力提升有限。針對現階段衛星導航裝備維修訓練手段的現實約束，本論文提出采用仿真訓練樣機+維修訓練軟件相結合的方式，開發一款突破傳統維修訓練及新興維修訓練局限的新型衛星導航裝備維修訓練系統，該系統可實現裝備實物拆裝訓練、裝備內部構造學習、故障仿真、模塊級故障分析與排查、故障維修等維修訓練目的，解決衛星導航裝備維修訓練手段落后、維修訓練效果不佳、維修保障能力欠缺等現實問題。

1 系統總體設計

新型衛星導航裝備維修訓練系統主要針對衛星導航裝備維修訓練設計而成，系統主要組成包括：仿真訓練樣機、維修訓練軟件。系統以維修訓練軟件為核心，將維修訓練軟件及相應數據庫部署至服務器上，利用網絡通信技術，將仿真訓練樣機、教員PC 機、學員PC 機相連，構成局域網內新型衛星導航裝備維修訓練系統，替代實裝開展裝備拆裝訓練、裝備內部構造學習、模塊級故障分析與排查、故障維修等訓練科目。新型衛星導航裝備維修訓練系統布局如圖1 所示，其中，仿真訓練樣機內部模塊電路采用微處理器進行數字化設計，并通過RJ45 網口與維修訓練軟件進行網絡通信，識別維修訓練軟件所下發故障指令或（故障）取消指令，然后通過自身MCU 微控制器實現故障仿真或故障取消的功能；維修訓練軟件是新型衛星導航裝備維修訓練系統的核心操控平臺，具備指令下發功能與訓練考核功能，用于下發指定故障指令、生成隨機考核試卷、記錄并統計學員考核成績等。

圖1 新型衛星導航裝備維修訓練系統布局圖

2 仿真訓練樣機原型選型與設計要求

2.1 仿真訓練樣機原型選型

衛星導航裝備主要功能是接收衛星發射的導航信號并進行處理，獲取導航電文和必要的觀測量，實現衛星導航定位等功能[4]，因此衛星導航裝備既具有常見無線電接收設備的共性，又具有捕獲、跟蹤和處理衛星微弱信號的特性，其主要構成單元同常見無線電接收設備，均包括天線、射頻、基帶、電源等。以衛星導航裝備接收衛星發射的導航信號為例，其中，天線單元的主要功能是接收來自衛星的導航信號；射頻單元的功能是將衛星的射頻信號轉換成較低功率的中頻信號，同時將中頻信號進行放大，然后進行模數轉換，以便后續進行數字化處理；基帶處理單元主要完成對導航電文的解調，進行定位解算和導航數據輸出；電源單元的主要功能是為衛星導航裝備不同部分供電。衛星導航裝備主要組成單元如圖2 所示。

圖2 衛星導航裝備主要組成單元圖

在新型衛星導航裝備維修訓練系統中，仿真訓練樣機原型選型需考慮以下因素：原型所支持衛星業務服務模式全面、原型裝備內部組成單元及實現原理典型、原型裝備應用范圍廣泛、原型裝備維修保障頻度較高等。本論文所選型衛星導航裝備，所支持衛星業務服務模式覆蓋RNSS及RDSS，業務服務模式全面；主要組成單元包括天線、射頻、基帶、電源等，在裝備組成單元及實現原理上具有典型代表性；具備定位、導航、通信等全面功能，配發量大、應用廣泛；在現地支援業務中維修保障頻率也較高。

2.2 仿真訓練樣機設計要求

仿真訓練樣機要求以選型衛星導航裝備為原型，通過物理仿真建立與原型1:1 比例的仿真訓練樣機實物；仿真訓練樣機與實裝故障形成機理吻合，可通過指定網口接收維修訓練軟件所下發故障指令，能夠完成裝備拆裝訓練、裝備內部構造學習、裝備故障仿真、模塊級故障分析與排查等訓練科目[6]。仿真訓練樣機應遵循以下設計要求。

①物理機理1:1 仿真要求。衛星導航裝備維修保障專業集訓與考核比武一般涉及以下內容：基本拆裝工具使用、裝備拆解與裝備安裝流程規范、裝備拆裝過程安全注意事項、裝備內部構造學習及原理掌握等。依據集訓與比武要求，仿真訓練樣機需與選型衛星導航裝備物理機理保持一致，以1:1比例進行仿真還原，方便維修保障人員在仿真訓練樣機與衛星導航裝備實裝之間無縫切換，通過仿真訓練樣機實物操作訓練，使維修保障人員能夠掌握衛星導航裝備內部結構與工作原理、熟悉各部組件之間的裝配關系、熟練使用拆裝工具進行裝備拆解與安裝操作、熟悉裝備拆裝過程安全注意事項等，從而切實提升衛星導航裝備維修訓練效果，為裝備維修保障打下堅實基礎，有力保障衛星導航裝備特種效能的發揮。②故障仿真要求。傳統維修訓練過程中，衛星導航裝備出現故障具有很大偶然性，并且故障在修復后難以重現，這導致在衛星導航裝備實裝上無法系統開展針對各類故障的檢測訓練及維修訓練，一旦衛星導航裝備在戰場使用過程中出現突發故障，維修保障人員在缺乏有效訓練的情況下將難以應對，這種情況將極大降低衛星導航裝備特種效能。新型衛星導航裝備維修訓練系統的最大優勢在于可仿真重現選型衛星導航裝備所有常見故障現象，解決傳統維修訓練過程中故障出現具有很大偶然性的問題和無法遍歷所有常見故障現象的問題。

3 維修訓練軟件設計要求及架構

3.1 維修訓練軟件設計要求

考慮衛星導航裝備維修訓練實際使用場景，維修訓練軟件采用方便、靈活、易擴展、易維護的B/S 架構。維修訓練軟件遵循面向對象設計原則，采用前后端分離開發模式，方便部署，服務端負責主要事務邏輯處理；前端負責數據渲染、交互請求、少量事務邏輯處理等。維修訓練軟件最主要的功能是：以可視化形式為仿真訓練樣機下發指定故障指令、生成隨機試卷完成維修訓練考核功能[2]，因此，維修訓練軟件應遵循以下設計要求。

①下發指定故障指令要求。衛星導航裝備維修過程一般是：分析故障原因、定位故障部組件、確定故障類型、拆卸故障部組件予以維修或更換，由此可見，維修過程實質是一個定位故障、拆卸、維修、再裝配的過程。而這一系列維修步驟的前提，是衛星導航裝備發生故障。仿真訓練樣機無法自主發生故障，需要維修訓練軟件為其下發指定故障指令，仿真訓練樣機接收故障指令后，仿真重現指定故障現象。仿真訓練樣機接收指定故障指令后，通過自身主控MCU 微控制器與電源單元MCU 微控制器交互，實現指定故障現象的仿真復現，方便維修保障人員針對性進行常見故障現象的檢測訓練及維修訓練。因此，下發指定故障指令的要求，是維修訓練軟件必須具備的功能。②訓練考核要求。新型衛星導航裝備維修訓練系統除了提供維修訓練的實踐場景外，還具備訓練考核功能，以“故障現象定位、故障檢測點定位、故障維修步驟規范化操作”的比武答題方式為維修保障人員排故能力提供科學量化的評估依據，達到“以考檢訓、以考促訓”的目的。依據維修訓練軟件功能要求，設計其功能模塊包括：衛星導航裝備管理、系統設置、成績管理統計、訓練維修答題、考核維修答題；設計其系統使用角色包括：教員、學員；其中，教員具備衛星導航裝備管理、系統設置、成績管理統計等功能，學員具備訓練維修答題、考核維修答題等功能。衛星導航裝備管理包括下發故障、取消故障、查找裝備、裝備狀態歸類等功能，系統設置包括裝備編號設置、裝備IP 設置、網絡上報IP 設置等功能，成績管理統計包括考核維修出題、考核成績管理、考核詳情查看等功能，訓練維修答題包括訓練維修出題、訓練維修答題、訓練詳情查看等功能，考核維修答題包括考核維修答題、考核詳情查看等功能。維修訓練軟件功能模塊如圖3 所示。

圖3 維修訓練軟件功能模塊圖

3.2 維修訓練軟件架構

基于維修訓練軟件所具備功能，設計其邏輯架構包括：數據庫層、接口協議層、業務邏輯層、應用展示層。其中，數據庫層是整個維修訓練軟件中最底層、最基礎的部分，完成數據存儲功能和數據訪問操作，包括對數據庫配置文件的加載以及SQL語句的構建和解析操作；接口協議層承擔維修訓練軟件、仿真訓練樣機兩者之間協議實現的橋梁，負責二者之間完成數據交互的工作，包括故障指令下發接口、故障狀態上報接口；業務邏輯層的職責是按預定的業務邏輯處理應用展示層提交的請求，包括處理下發故障指令子層、處理故障狀態上報指令子層；應用展示層的職責是數據的展現，包括教員角色用戶所使用的衛星導航裝備管理、系統設置、訓練成績管理統計等界面，也包括學員角色用戶所使用的訓練維修答題、考核維修答題等界面。維修訓練軟件系統架構如圖4 所示。

圖4 維修訓練軟件系統架構圖

4 系統測試與結果分析

采用新型衛星導航裝備維修訓練系統進行衛星導航裝備維修訓練測試試驗，測試內容包括：①采用仿真訓練樣機，進行衛星導航裝備正常工作狀態檢查訓練，驗證是否與衛星導航裝備實裝具有相同的操作效果；②采用仿真訓練樣機，進行衛星導航裝備拆裝訓練，驗證是否達到實裝拆裝訓練效果；③采用仿真訓練樣機，進行衛星導航裝備內部構造學習，驗證是否達到實裝內部構造學習效果；④利用維修訓練軟件，為仿真訓練樣機下發指定故障現象，進行衛星導航裝備故障仿真測試，驗證是否具有同實裝相同的故障現象；⑤采用仿真訓練樣機，進行衛星導航裝備故障分析與排查，驗證是否具有同實裝相同的故障檢測訓練效果；⑥采用維修訓練軟件，驗證其是否具備隨機出題能力、訓練答題功能、考核答題功能等。

測試結果表明，新型衛星導航裝備維修訓練系統通過對仿真訓練樣機設計和維修訓練軟件開發，能夠完成衛星導航裝備工作狀態檢查、裝備拆裝訓練、裝備內部構造學習、裝備故障現象仿真、故障分析與排查等維修訓練目的，同時具備隨機出題、訓練答題、考核答題等維修訓練考核能力，實現了衛星導航裝備故障分析、故障判斷、故障檢測、故障排查維修等全過程智能化訓練，解決了衛星導航裝備維修訓練手段欠缺、維修保障能力落后等現實問題，對提高衛星導航裝備特種能力，具有極高的經濟效益和特種研究意義。